利用金属应变片测力参量.doc

前言 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到纳米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到毫秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。本课题是利用传感器测力参量，其基本原理是讲被测受力件尺寸的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路最后显示被测量值的变化。传统测量是通过加载已知载荷，测量试件的变形尺寸，但是这样会带来很大的误差，而且费时费力，但是电阻式应变片可以大大弥补传统方法的不足，精确快捷。本论设计原理一、应变仪的电桥输出特性其中R1、R2、R3和R4分别为电桥的四个桥臂电阻。若在外力作用下四个电阻所产生的电阻变化分别为R1、R2、R3和R4，初始状态电桥的各臂阻值相等，即 R1=R2=R3=R4=R，且考虑到RR，可忽略R的高次项（线性化处理），则上式可写成：当各桥臂应变片的灵敏度K相同时，上式可改写为：当各桥臂应变片的灵敏度K相同时，上式可改写为：二、电阻应变片的选用(1)应变计几何参数的选择 应变片敏感栅的长度称为标距。在应变场梯度大、应变频率高时应采用小标距应变计。对于混凝土、铸钢、铸铁等材质不均匀的材料宜采用较大标距的应变计。(2)电阻值的选择 应变仪桥臂电阻多按120设计，所以常用120的应变片。对于不需配用应变仪的测量电路，可根据应变计的允许电流、功率来选择阻值。 (3)灵敏系数的选择 动态应变仪多按灵敏系数K=2设计，故动态测量宜选用K=2的应变计。而高灵敏度的应变计可省去中间放大单元，简化测量系统。 (4)应变计类型的选择 一般丝式应变计多用纸基，价格低、粘贴容易，但耐久性、耐湿性较差，在要求不高时可用；箔式应变计多用胶基，可用于150以下的中温和常温测试，它绝缘性能好，精度高，在应变测量中应用最广泛。半导体应变计灵敏系数高，机械滞后小，频率响应好；但温度影响大，线性范围小。半导体应变计多用于测量小的应变。三、应变片的布置和接桥方式 应变片的布置（布片）和电桥组接（组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定，而且还应利用电桥的和差特性来消除温度变化和复合载荷作用的影响。 测量拉伸（或压缩）应变时，要采用适当的布片组桥方式，以便达到温度补偿（测轴向拉(压)时的温度补偿）、消除弯矩影响（用双工作片消除温度的影响）和提高测量灵敏度（用四工作片提高测量的灵敏度）的目的。应变测量中的温度补偿一个简化了的单向受拉件如左图( 测轴向拉(压)时的温度补偿)所示，在轴向力P作用下。试件为单向应力状态。故沿构件表面的轴线方向贴工作片R1 ，在温度补偿板上贴补偿片Rt，将二者组成半桥即可测得轴向应变P。电桥的输出为：实现温度补偿必须满足以下条件：1、补偿板和试件的材料相同；2、工作片、补偿片完全相同，放在完全相同 温度场中；3、 必须接在相临桥臂上。轴向拉（压）应变测量中消除弯矩的影响（1）图(用对称双工作片测轴向拉(压)应变)为轴向拉伸(压缩)载荷下布片、接桥的又一例。工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。其中全桥接法的输出是半桥接 设温度补偿片轴向拉（压）应变测量中消除弯矩的影响（2）布片时省去了温度补偿板，也可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。 不设温度补偿片布片的一般原则 1、根据试验目的布片 对于鉴定性试验，通过结构应力的测定，了解结构承受危险载荷时是否安全可靠，应力状态是否符合设计要求，应选择结构的危险点处布片。2、根据结构分析布片 对于结构对称和外载也对称的结构体，可在结构体的对称面上布片。3、根据应力方向布片 分析结构应力性质进行布片。对于已知的单向应力状态，应沿应力方向布片。对于平面应力状态，应采用单向布片结合应变花进行测量，通过计算获得主应力值的大小和方向。四、应力的确定设计方案 一般情况下，应采用应变花布片，分别测得三个方向的线应变，再根据相关公式计算出相应的主应变和主应力 结论 求力参量在金属加工中很重要的一个环节，但也很复杂，通过电阻应变片和计算机，就能快捷地计算，结果也比较计算。电阻应变片测力的优点： 1、既可测量弹性变形，可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。 2、适应性强。 既可用于静态测量，测量时对被测件的工作状态